磁制冷循环分析

    1 引言

    可持续发展和环保意识的全球化,使磁制冷技术成为研究的热点。早在1920年,德拜Debye和Giauque就在理论上提出利用磁热效应可以制冷[1]。1933年,/绝热去磁冷却0方法的采用从412K出发获得了018K的低温[2]。1976年, NASA研究中心的Brown首次采用类似Ericsson循环的往复式磁制冷装置,以金属钆作为磁工质获得了室温磁制冷机的成功[3]。1978年,美国Los Alamos实验室设计了一台回转式磁制冷机,采用Brayton循环获得了500W的冷量[4]。1996年,美国航天技术中心的C1Zimm使用活性蓄冷技术,采用往复式结构在5T的磁场下获得了500~600W的制冷量[5]。2001年美国宇航公司联合Ames实验室首次开发了使用永磁体的回转式磁制冷机[4]。目前,高温超导技术的应用使得磁制冷装置发展趋向多样化,同时为磁制冷循环提出了新的研究课题。

    2 磁制冷基本循环

    2.1 基本原理

    磁制冷是建立在磁性材料的磁热效应基础上的。所谓磁热效应就是在励磁过程中,磁性材料的有序度增加,磁熵减少,对外放出热量;退磁过程中,磁性材料的有序度减少,磁熵增加,从外部吸收热量,从而达到制冷的目的。一般而言,不同温区的磁制冷将采用不同的磁工质。材料学研究表明,在低温20K以下对顺磁物质或在居里温度Tc附近对铁磁物质施加或去除磁场都会产生较大的熵变,使磁制冷成为可能。

    2.2 基本循环分析

    磁制冷装置多采用Stirling和Ericsson循环。但实际循环中,考虑到绝热过程相对于等温过程的易实现性,也常采用Brayton的循环。本文仅以Stir-ling循环为例进行分析,如图1所示[6]。设高、低温热源温度分别为Th、Tc,磁工质与热源进行有限温差、有限时间传热。

    (1)从状态1到状态2进行等温(T1)磁化阶段,磁性工质温度升高,对外放热Q_HC,历经时间为t1。

    (2)从状态2到状态3是等磁化(M2)过程,换热流体从磁性工质吸热Q23,历经时间为t2。

    (3)从状态3到状态4进行等温(T2)去磁阶段,磁性工质温度降低,从外界吸热QLC,历经时间为t3。

    (4)从状态4到状态1是等磁化(M1)过程,磁性工质从换热流体吸热Q41,历经时间为t4。

    若不考虑其他不可逆因素,磁工质与热源间的热量交换为[7,8]:

    式中,α和β是蓄冷器和高、低温热源之间的传热系数,T1、T2是等温磁化和等温去磁过程中磁工质的平均温度。则磁制冷基本循环的制冷量Qcold= QLC,磁场作用于填料床内磁工质所作的功Wnet= QHC- QLC。常用COP = Qcold/Wnet和FOM =(Qcold/Wnet)/COPcamot这两个指标来评价磁制冷循环的性能,故提高这两个参数的途径能为实际磁制冷循环的改善提供理论指导。